Ciała przewodzące prąd elektryczny

Transkrypt

1 Ogniwa paliwowe

2 Ciała przewodzące prąd elektryczny Przewodniki I klasy (elektryczność przenoszona Jest przez elektrony) Przewodniki II klasy (elektryczność przenoszona jest przede wszystkim przez jony)

3 Elektroliza Procesem elektrolizy nazywamy wszystkie reakcje elektrochemiczne zachodzące pod wpływem przepływu prądu z zewnętrznego źródła. Układ, w którym zachodzi elektroliza obejmuje dwie elektrody (katoda, anoda) zanurzone w elektrolicie (roztwór wodny, elektrolit stopiony) i połączone przewodnikami metalicznymi z biegunami zewnętrznego źródła prądu stałego.

4 Reakcja utleniania i redukcji Procesy chemiczne, podczas których atomy lub jony zmieniają swój stopień utlenienia na skutek pobierania lub oddawania elektronów nazywają się odpowiednio reakcjami utleniania i redukcji, czyli redoks. Reakcje te są nierozerwalnie ze sobą związane, czyli żadna z reakcji nie może przebiegać samodzielnie. Utlenianie (dezelektronacja) jest procesem chemicznym, podczas którego obojętne atomy, cząsteczki lub jony (reduktor) tracą elektrony, na skutek czego wzrasta ich stopień utlenienia. Redukcja (elektronacja) jest procesem chemicznym, podczas którego obojętne atomy, cząsteczki lub jony (utleniacz) pobierają elektrony, co powoduje zmniejszenie ich stopień utlenienia.

5 Przepływ prądu przez elektrolit wymusza ruch jonów: kationów w kierunku katody oraz anionów w kierunku anody. Jednocześnie na elektrodach zachodzą reakcje na katodzie biegnie proces redukcji (pobieranie elektronów z elektrody): Q x1 n+ + ne Red 1 na anodzie proces utleniania (dostarczanie elektronów do elektrody): Red 2 ne Q x2 n+ Reakcje elektrochemiczne zachodzą wyłącznie na granicy faz elektrolit-elektroda.

6 Elektroliza HCl Cząsteczki HCl rozpadają się w wodzie HCl H + + Cl Dodatnie jony wodoru dążą do elektrody ujemnej, gdzie przejmują elektrony, zobojętniają się i łączą w pary tworząc cząsteczki H 2. Wodór ulatnia się w postaci pęcherzyków: 2H + + 2e H 2 Ujemne jony chloru po dotarciu do elektrody dodatniej oddają jej swe nadmiarowe elektrony, zobojętniają się elektrycznie i łączą się w pary, tworząc cząsteczki Cl 2 2Cl + 2e Cl 2

7 I prawo Faradaya wyraża związek między ilością substancji wydzielającej się na elektrodzie, natężeniem prądu i czasem przepływu prądu przez elektrolit. Masa jakiejkolwiek substancji odłożonej, wydzielonej lub rozpuszczonej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ilości elektryczności, jaka przepłynęła przez elektrolit m = k q = k I t k - równoważnik elektrochemiczny (współczynnik proporcjonalności), który zależy tylko od rodzaju wydzielającej się substancji i składu elektrolitu [kg/as] (k = M/nF)

8 I prawo Faradaya e II I H 2 SO 4 H 2 SO 4 H 2 SO 4 III

9 II prawo Faradaya Na odłożenie, wydzielenie lub rozpuszczenie na elektrodach 1 gramorównoważnika jakiejkolwiek substancji zużywa się zawsze tę samą ilość elektryczności 1F. F = N W e 0 F- stała Faradaya [A. s] N liczba Avogadra (liczba atomów w gramoatomie) 6.02 x mol -1 e 0 ładunek elementarny W wartościowość pierwiastka

10 Ogniwo galwaniczne Układ składający się z fazy metalicznej i otaczającego ją roztworu elektrolitów nosi nazwę elektrody (półogniwa). W zależności od zdolności metalu do przechodzenia do roztworu w postaci jonów oraz stężenia jonów w roztworze - ładuje się on względem roztworu ujemnie lub dodatnio. Z chwilą połączenia dwóch elektrod wskutek występującej różnicy potencjałów popłynie w obwodzie zewnętrznym prąd elektryczny. Taki układ zbudowany z dwóch elektrod połączonych poprzez elektrolit tworzy ogniwo galwaniczne. Przyczyną przepływu elektronów z jednego półogniwa do drugiego przez obwód jest różnica potencjałów wewnętrznych, która powstaje pomiędzy półogniwami (elektrodami) takiego ogniwa.

11 Luigi Gavani

12 Ogniwo Alessandro Volty

13 Historia ogniw paliwowych Christian F. Schoenbein 1839 donosi o powstawaniu prądu w reakcji wodoru z tlenem. Sir William R. Grove 1842 pierwsze ogniwo paliwowe Wilhelm Ostwald i Walther H. Nerst 1905 zaprezentowali teorię ogniwa paliwowego. Ogniwo paliwowe jest większym wynalazkiem dla cywilizacji niż maszyna parowa i wkrótce umieści generator Siemens'a w muzeum."

14 Historia ogniw paliwowych Lata 60 - Amerykański program kosmiczny Gemini 5 pierwszy statek kosmiczny z ogniwem Apollo, lądowanie na Księżycu również z ogniwem Drugi kryzys paliwowy Systematyczny wzrost zainteresowania i badań nad ogniwami

15 Historia ogniw paliwowych Etienne Lenoir 1860 r Profesor Karl Kordesch z Uniwersytetu Graz w Austrii był jednym z pierwszych badaczy ogniw paliwowych. Wraz z współpracownikami skonstruował w 70 motocykl i samochód z alkalicznym ogniwem paliwowym

16 Problematyczny WODÓR?? Katastrofa 1937 r. sterowca "Hidenburg"

17 WODÓR Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek na kuli ziemskiej Nie występuje na ziemi w postacie wolnej Wartość opałowa wodoru jest wysoka 120 MJ/kg (węgiel 25MJ/kg, benzyna47mj/kg) W temperaturze pokojowej występuje w postaci gazowej < -263 o C ciało stałe, ρ = 70,6 kg/m 3 > -253 o C gaz; przy 0 o C ρ = 0, kg/m o C, punkt potrójny, ρ = 70,8 kg/m 3

18 1. The Merck Index, Thirteenth Edition ; Merck Research Laboratories, Division of MERCK & CO.,INC. 2. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83 rd Edition ; CRC Press. 3. IWT INTECH - Wodór Paliwem Przyszłości

19 Dr. Michael R. Swain; Fuel Leak Simulation.

20 Zasada działania ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe umożliwiają produkcję prądu elektrycznego w procesach chemicznych podobnych do spalania, ale zachodzących izotermicznie i bez płomienia Wodorowe ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, w których następuje łączenie wodoru (pochodzącego z paliwa) z tlenem (pochodzącym z powietrza). Produktami reakcji są: energia elektryczna oraz ciepło i woda. Zasada działania oparta jest na procesie elektrochemicznym, który odpowiada odwrotnej elektrolizie wody i pozwala na kontrolowaną reakcję łączenia wodoru i tlenu. Gazy reakcyjne (wodór i powietrze) są dostarczane do odpowiedniej strony elektrody poprzez system kanałów wykonanych w płycie ogniwa.

21 Budowa ogniwa paliwowego Dwie elektrody: anoda i katoda Elektrolit: ciecz lub ciało stałe Elektrolit umożliwia przepływ kationów natomiast uniemożliwia przepływ elektronów

22 Elektrolit Przewodnik jonów Izolator dla elektronów Separuje reagentu anodowe i katodowe

23 Elektrody Elektrody są wykonane z materiałów będących dobrymi przewodnikami elektryczności (przewodniki I rodzaju - elektronowe) i najczęściej są porowate, aby zwiększyć wielkość powierzchni aktywnej biorącej udział w reakcji elektrochemicznej, a także ułatwić transport gazów do elektrolitu. W przypadku ogniw nisko- i średniotemperaturowych w materiale elektrod umieszczone są odpowiednie katalizatory (np. platyna, pallad, nikiel) w celu przyspieszenia reakcji elektrodowych. Elektrody sterują jedynie procesami elektrochemicznymi, nie biorąc w nich bezpośredniego udziału.

24 Zasada działania ogniwa paliwowego

25 Przemiana energii w ogniwie Energia wodoru Energia tlenu Fuel cell ciepło Moc i energia P = U I E = P t = U I t

26 Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC) AFC było pierwszym nowoczesnym ogniwem paliwowym rozwijanym na początku lat sześćdziesiątych. Elektrolit to roztwór zasadowy (wodorotlenek potasu). W ogniwach AFC temperatura pracy zależy od stężenia KOH, im wyższe stężenie tym wyższa temperatura pracy Redukcja tlenu w środowisku zasadowym jest dużo szybsza niż w kwaśnym, np. w PEMFC. Tak więc, jest możliwe wykorzystanie Reakcje elektrodowe ukazano poniżej: Utlenienie wodoru na anodzie: H 2 + 2OH 2H 2 O + 2e - Redukcja tlenu na katodzie: ½O 2 + H 2 O + 2e 2OH - Sumaryczna reakcja w AFC: H 2 + ½O 2 H 2 O

27 Ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami - Molten carbonate fuel cell (MCFC) Elektrolit w postaci stopionego węglanu to zazwyczaj węglan litu i potasu (Li 2 CO 3 /K 2 CO 3 ) lub litu i sodu (Li 2 CO 3 /Na 2 CO 3 ) w osnowie ceramicznej z ceramiki na bazie aluminium (LiAlO 3 ). Z powodu bardzo wysokich temperatur pracy ( C) kinetyka katody (szybkość reakcji) jest drastycznie poprawiona w porównaniu do PEMFC i PAFC, więc nie potrzeba szlachetnych metali jako katalizatorów. Na katodzie jest zazwyczaj tlenek niklu, ale bada się również materiały na bazie tlenku litu. W anodzie wykorzystuje się zazwyczaj stopy niklowo aluminiowe lub niklowo chromowe. Reakcje elektrodowe i sumaryczne są ukazane poniżej. Utlenienie wodoru na anodzie: H2 + (CO3)2- H2O + CO2 + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: CO2 + ½O2 + 2e- (CO3)2- Sumaryczna reakcja w MCFC: H2 + ½O2 H2O

28 Ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym - Phosphoric-acid fuel cells (PAFC) W ogniwie tego typu wykorzystuje się w roli elektrolitu stężony kwas fosforanowy umieszczony w osnowie z węglika krzemu i teflonu. Elektrody zbudowane z takiego samego materiału jak w PEMFC - z platyny na podkładzie z węgla. Również tutaj wymagane jest zastosowanie większej ilości katalizatora na katodzie niż na anodzie. Jeśli ogniwo działa na wodorze uzyskanym z reformingu paliw kopalnych ruten (Ru) jest dodawany do Pt na anodzie. Dzięki Ru w roli drugiego katalizatora tlenek węgla z paliwa jest łatwiej utleniany. Ponieważ ogniwo zasila wodór ( lub reformowane węglowodory) i powietrze, reakcje na elektrodach s takie same jak w PEMFC. Utlenienie wodoru na anodzie: H2 2H+ + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + 2H+ + 2e- H2O Sumaryczna reakcja w PAFC: H2 + ½O2 H2O

29 Ogniwo z membraną do wymiany protonów - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) Elektrolitem jest spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci jonowymiennej membrany, która wyróżnia te ogniwa spośród innych. Strumień wodoru jest kierowany na anodową stroną membrany. Na niej jest katalitycznie rozdzielany na protony i elektrony. Nowo uformowane protony przenikają przez membranę nas stronę katodowa. Elektrony przechodzą poprzez zewnętrzne obciążenie na stronę katodową powodując przez to przepływ prądu. W międzyczasie strumień tlenu kierowany jest na katodowa stronę membrany. następnie tlen reaguje z protonami przenikającymi przez membranę oraz elektronami przychodzącymi z zewnętrznego obwodu i tworzy się w ten sposób woda. Reakcje redoks w ogniwie PFMEC: Utlenienie wodoru na anodzie: H2 2H+ + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + 2H+ + 2e- H2O Sumaryczna reakcja w PEMFC: H2 + ½O2 H2O

30 Ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym - Solid-oxide fuel cells (SOFC) Elektrolitem w SOFC jest zestalony, nieporowaty tlenek metalu, zazwyczaj Y2O3 stabilizowany 8-10 % molowymi ZrO2. Przewodnictwo jonowe w elektrolicie jest zapewnione przez jony tlenu (O2-). Wykorzystanie substancji stałej jako elektrolitu czyni system stabilniejszym i bezpieczniejszym niż w przypadku MCFC. Nie powstają przecieki, a ogniwu można nadać różne kształty, jak rurowy, planarny, monolityczny. Zazwyczaj temperatura pracy wynosi około 1000 C, ale jest pożądane skonstruowanie ogniwa pracującego w niższej temperaturze, około 650 C. To oczywiście obniża przewodność obecnie stosowanych materiałów elektrolitycznych. Tak jak w MCFC nie potrzeba drogich metali na elektrody, bo kinetyka jest wystarczająco szybka w tych temperaturach. Utlenienie wodoru na anodzie: H2 + O2 H2O + 2e- Redukcja tlenu na katodzie: ½O2 + 2e O2- Sumaryczna reakcja w SOFC: H2 + ½O2 H2O

31 Ogniwo paliwowe (nazwa) Elektrolit Elektrody Paliwo Temperatura pracy i zastosowanie ogniwa Ogniwo alkaliczne (zasadowe) AFC (Alkaline Fuel Cell) Roztwór wodorotlenku potasu: stężony 85% (temp pracy < 250 O C), rozcieńczony 35-40% (temp pracy <120 O C) Zastosowanie różnych metali Wodór H 2, hydrazyna N 2 H 4, metan CH 4 Paliwo i utleniacz muszą być pozbawione CO 2 Temp. pracy: O C Zast technika kosmiczna i wojskowa (łodzie podwodnne i pojazdy pancerne), transport Ogniwo polimerowe (membranowe) SPFC (Solid Polymer Fuel Cell) Jonowymienna membrana z polimeru sulfono fluoro - węglowego Platynowe Wodór H 2, metanol CH 3 OH Paliwo musi być pozbawione CO Temp. pracy: <120 O C Zast- głównie transport, pojazdy kosmiczne i wojskowe Ogniwa kwasu fosforowego PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) Stężony kwas fosforowy (100%) Platyna naniesiona na podłoże węglowe spajane teflonem Wodór H 2, gaz ziemny, nafta, metanol CH 3 OH, biogaz. Paliwo musi być odsiarczone i pozbawione CO Temp. pracy: O C Zast- jako źródło energii elektrycznej i cieplnej w obiektach użyteczności publicznej (szpitale, biura, hotele, niewielkie osiedla mieszkaniowe) Ogniwa węglanowe (stopionych węglanów) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) Mieszanina węglanów alkaicznych (Li, K, Na) Anoda porowaty nikiel z dodatkiem chromu. Katoda porowaty tlenek niklu dotowany litem Gaz ziemny,metanol CH 3 OH, biogaz. Paliwo musi być konwertorowane na gaz zawierający wodór H 2 w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub reforming wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji elektrochemicznej. Utleniacz to powietrze z dodatkiem CO 2 Temp. pracy: O C Wysokotemperaturowe ogniwa węglanowe umożliwiają wykorzystanie produkowanego ciepła do celów grzewczych i w procesach technologicznych. Ogniwa tlenkowe SOFC (Solid Oxide Fuei Cell) Nieporowaty stały tlenek metalu najczęściej cyrkonu ZrO 2 stabilizowany tlenkiem itru Y 2 O 3 Gaz ziemny,biogaz. Paliwo musi być konwertorowane na gaz zawierający wodór H 2 w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub reforming wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji elektrochemicznej. Temp. pracy: O C Ogniwa te znajdują się w fazie prac badawczych i ich zastosowanie w większej skali jest jeszcze odległe.

32 Termodynamika ogniw paliwowych Maksymalny współczynnik sprawności konwersji, obliczony w oparciu o prawa termodynamiki, tzw. sprawność termiczna OP wynosi

33 I zasada termodynamiki Zmiana energii ]. wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy [2 U Q L Entalpia swobodna H U pv Przyrost entalpii H H prod H subs U pv Q L pv Przyrost entalpii molowej układu H jest równy różnicy przyrostów entalpii molowej produktów reakcji H prod oraz substratów H subs

34 Termodynamik ogniw paliwowych Procesy w ogniwie paliwowym zachodzą w warunkach izotermiczno-izobarycznych Potencjał termodynamiczny jako funkcja stanu G H T S Ilość energii uwalnianej podczas reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym G H T S H TS G prod Gsubs

35 Termodynamik ogniw paliwowych G H T S H TS G prod Gsubs W OP po stronie katody H 2 O Q 1 2H 2e O 2 2 Entalpia molowa dla reakcji G prod G, H O G G H G O2 2 subs 2 2 1

36 Termodynamika ogniwa paliwowego G H T S H TS G prod Gsubs H H prod H subs U pv Q L pv G H TS Q L pv TS

37 Praca ogniwa paliwowego Praca ogniwa paliwowego jest sumą pracy prądu elektrycznego i pracy ekspansji L Lel Leks Praca prądu elektrycznego pozyskiwanego przez ogniwo L el, jest równa entalpii swobodnej reakcji ΔG, tak więc można zapisać: L el n F E n F e( V V ) r K A G Praca ekspansji ładunków elektrycznych wytwarzających różnicę potencjałów elektrod ogniwa Leks pv

38 Warunki pracy ogniwa paliwowego Straty Polaryzacja aktywacji Polaryzacja stężeniowa Polaryzacja omowa

39 Straty Obszar strat kinetycznych spadek napięcia związany z procesami aktywacyjnymi, które są związane z powolnością procesów zachodzących na elektrodach Obszar strat omowych wzrost gęstości prądu generowanego przez OP jest proporcjonalny do spadku napięcia (linia prosta) Jest następstwem rezystancji elementów ogniwa oraz elektrolitu Obszar strat transportu masy stosunkowy duży spadek napięcia na elektrodach ogniwa. Związany jest z spowolnieniem szybkości dyfuzji reagentów i produktów reakcji przez warstwy gazowo-dyfuzyjne.

40 Dla przemiany izotermiczno-izobarycznej maksymalna praca nieobjętościowa L, a więc w przypadku ogniw paliwowych praca elektryczna L el, jest równa entalpii swobodnej reakcji ΔG, L gdzie: n liczba elektronów uczestniczących w procesie [-], F stała Faraday a [F=96485 C/mol], E r napięcie odwracalne (równowagowe) ogniwa [V]. ΔG zmiana entalpii swobodnej Gibbsa [J/mol], L el, max n F E r G Miarą efektywności ogniwa jest teoretyczna sprawność energetyczna (zwana również sprawnością teoretyczną, termodynamiczną, termiczną), η th. W warunkach izotermiczno izobarycznych maksymalna teoretyczna sprawność ogniwa wynosi: theor H ciepło reakcji procesu chemicznego (zmiana entalpii) [J/mol], T temperatura reakcji [K], ΔS zmiana entropii w wyniku reakcjii chemicznej [J/K mol]. Lel,max H T S T S 1 H H H

41 Sprawność konwersji ogniwa paliwowego Sprawność rzeczywistego ogniwa jest mniejsza od teoretycznej, co jest powodowane m.in. polaryzacją elektrod, stratami substancji czynnych, itp. Uwzględnia się to poprzez wprowadzenie sprawności elektrochemicznej (napięciowej). Sprawność elektrochemiczna ech ter E F U

42 Sprawność termiczna i napięciowa ogniwa e ter maksymalna sprawność uzyskana z doskonałego ogniwa paliwowego ter G H e E związana ze zjawiskiem polaryzacji napięciowej obciążonego ogniwa i optymalnych warunkach pracy (0,6 0.8) E r - napięcie odwracalne, równowagowe - maksymalne napięcie ogniwa w przypadku przebiegu procesów odwracalnych w ogniwie. E E E r

43 Sprawność Faradaya Sprawność Faraday a, η f stosunek ładunku elektrycznego wytworzonego przez ogniwo do ładunku elektronów zawartych w zużytym paliwie. Część ładunku elektrycznego atomów paliwa bierze udział w reakcjach ubocznych zachodzących w ogniwie, z tego powodu ładunek elektryczny uzyskany na wyjściu ogniwa jest zawsze mniejszy od ładunku elektronów paliwa dostarczonego do ogniwa. t F I F n z I I t I rzeczywisty prąd czerpany z ogniwa [A], I t prąd, który byłby czerpany z ogniwa w sytuacji, gdy nie byłoby żadnych innych procesów pobocznych, zachodzących w trakcie pracy ogniwa i paliwo w całości służyłoby wytworzeniu prądu [A}, t czas [s], n liczba moli substratu zużyta w czasie t [-], F stała Faradaya [C/mol], z z liczba elektronów wymienianych w elementarnej reakcji połówkowej [-].

44 Zalety ogniw paliwowych - Produkty uboczne jak H 2 O, CO 2, N 2 są czyste i bez zapachu, - Emisja SO 2, NO X, węglowodorów, tlenków węgla i cząstek stałych ekstremalnie mała, - Niski poziom hałasu, - Praktycznie dowolna i zajmująca mało miejsca lokalizacja, - System modułowy łatwość, szybkość i ekonomiczność budowy, - Łatwość rozbudowy w miarę rosnących potrzeb, - Ogniwa paliwowe mogą pracować bez przerwy o ile tylko doprowadzane jest paliwo i utleniacz, - Brak ruchomych części pracujących w trudnych warunkach (brak ścierania elementów, brak drgań, małe problemy wytrzymałościowe). -Do produkcji ogniw paliwowych (oprócz elektrod) nie jest wymagana precyzja, - Mogą być zasilane różnymi rodzajami paliwa (gaz ziemny ulega konwersji w samym ogniwie), - Mogą być szybko dostosowywane do zmiennego zapotrzebowania na energię, - Łatwe instalowanie i całkowita automatyzacja pracy.

45 Wady ogniw paliwowych - Niskie napięcie prądu uzyskiwane z pojedynczej celi < 1 V, - Produkcja prądu stałego (czasami jest to zaletą), - Stosunkowo wysoki koszt inwestycyjny - drogie materiały na katalizatory, - Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu, - Ograniczony czas pracy ogniwa (do około h), -Wrażliwość na zanieczyszczenie paliwa (w różnym stopniu, zależnie od typu ogniw). -Problem z transportem i magazynowaniem paliwa - Wytwarzanie wodoru

46 Magazynowanie wodoru Mimo że wodór jest najbardziej obfitym pierwiastkiem w całym wszechświecie, praktycznie nie występuje w środowisku Ziemi, ani w stanie stałym, ani w ciekłym.. Wodór trzeba wyprodukować

47 Wytwarzanie wodoru źródła wodoru źródła energii do odseparowania gazu. W obecnej chwili 48% produkowanego wodoru powstaje w efekcie reformingu metanu przy użyciu pary wodnej, 30% z ropy naftowej głównie w rafineriach, 18% z węgla a pozostałe 4% z elektrolizy wody

48 Wytwarzanie wodoru Proces reformingu benzyny Reforming benzyny polega na zwiększeniu liczby oktanowej w procesie odwodornienia węglowodorów nasyconych i otrzymaniu aromatycznych. C 6 H 12 C 6 H 6 + 3H 2 C 6 H 14 C 6 H 6 + 4H 2

49 Reforming metanu parą wodą Konwersja metanu lub innego węglowodoru przeprowadza się w rurkach ceramicznych wzbogaconych niklem odgrywającym rolę katalizatora. Reforming metanu parą wodną jest obecnie najpowszechniejszą przemysłową metodą otrzymywania wodoru. CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2

50 Wytwarzanie wodoru Metody biologiczne Wodór może być produkowany przez najróżniejsze mikroorganizmy jako produkt uboczny procesu fotosyntezy. Jednym z przykładów takiego mikroorganizmu może być glon Chlamydomonas reinhardtii, który w momencie usunięcia siarczanów z pożywki zaczyna wytwarzać wodór w efekcie działania enzymu hydrogenaza. Gazowy wodór generowany jest w ilości 4 ml/h z litra kultury tych alg. Metoda Habera-Boscha Rozkład pary wodnej przy użyciu rozgrzanego do 1200oC koksu prowadzi do powstania wodoru mocno zanieczyszczonego tlenkiem węgla. W trakcie tego procesu, tlenek węgla może być usunięty poprzez przeprowadzenie reakcji katalitycznej w obecności związków Fe 2 O 3 i Cr 2 O 3. C + H 2 O CO + H 2 CO + H 2 + H 2 O CO 2 + H 2

51 Wodór - magazynowanie Sprężony w postaci gazowej Do sprężenia wodoru potrzebne są duże nakłady energii a mała gęstość wodoru sprawia, iż nawet pod dużymi ciśnieniami zgromadzona jest mała ilość energii użytecznej. To natomiast prowadzi do dużych objętości zbiorników, jak i wysokich kosztów materiałów. Wodór przechowywany jest w temperaturze ok. 298 K i w zakresie ciśnień od 150 do 800 bar.

52 Wodór - magazynowanie W postaci ciekłej Skroplenie wodoru wymaga znacznie wyższych nakładów energii niż jego sprężenie. Musi być on przechowywany w temperaturze 20 K, co prowadzi do wysokich kosztów materiałowych. Nie nadaje się do pracy ciągłej

53 Wodór- magazynowanie Chemiczne wodorki metali Wodór może być również magazynowany w postaci związków chemicznych takich jak CaH 2, KH, LiH, NaH, LiBH 4, NaBH 4. Reakcja odzysku wodoru stosunkowo prosta NaBH 4 + 2H 2 O 4H 2 + NaBO 2

54 Wodór - magazynowanie Fizyczne wodorki metali Wodór może być zaadsorbowany na powierzchni stopów niklu (np. LaNi 5 ) i chromu (np. ZrCr 2 ). Podczas napełniania zbiorników wodorem wydziela się energia w postaci ciepła, która najczęściej jest tracona. Analogicznie, do odzyskania wodoru potrzebne jest dostarczenie ciepła do zbiornika, a prędkość wydzielania się wodoru jest uzależniona od ilości dostarczonej energii.

55 Wytwarzanie wodoru

56 Problem Wodór ma 2700 razy mniejszą gęstość energetyczną, niż klasyczne paliwo.. 1.kompresja 2. skroplenie 3. użycie związków chemicznych Wodór jest najtrudniejszym gazem do kompresji, sprawność wynosi 55%. Wymaga bardzo silnych i ciężkich cystern i pojemników do przechowywania Skroplony wodór (zamiana w stan ciekły) ma tę zaletę, że nie wymaga tak ciężkich pojemników (chociaż nadal jest to około 3 razy więcej przestrzeni, niż zajmuje benzyna), jednak wówczas sprawność wynosi 40%. Część ciekłego wodoru nieuchronnie "ucieka" z pojemnika samochodu w tempie 3-4% dziennie. Gaz można wymieszać z wodorkami metali, które pełnią rolę gąbki. Jeśli nie liczyć strat energii przy produkcji elektryczności, sprawność wynosi około 60%.

57 Zastosowanie

58 Zjawiska termoelektryczne

59 Przepływ prądu w przewodnikach Gęstość prądu J e env en e e e Natężenie strumienia ciepła Q qnv q e J e J e

60 Zjawiska termoelektryczne Efekt bezpośredniej konwersji napięcia elektrycznego występującymi na styku dwóch ciał na różnicę temperatur między tymi punktami lub odwrotnie różnicy temperatur na napięcie elektryczne termopara

61 Zjawiska termoelektryczne W zależności od kierunku transformacji Zjawisko Seebecka Zjawisko Thomsona Zjawisko Peltiera

62 Zjawiska termoelektryczne A + - B n a > n b Zetknięcie metalu A (o większym zagęszczeniu elektronów swobodnych) z metalem B (o mniejszym zagęszczeniu elektronów swobodnych) powoduje wytworzenie po obu stronach powierzchni granicznej S podwójnej warstwy ładunków

63 Zjawisko Seebecka układ zawiera dwa różne metale lub półprzewodniki - jeden z niedoborem elektronów, a drugi z ich nadmiarem - zwykle w postaci przewodów połączonych ze sobą przez lutowanie (tzw. termoelement); występuje gradient temperatury T 2 B A T 1 B V + - Siła termoelektryczna U AB T 2 T 1 Thomas Seebeck

64 Zjawisko Peltiera 1834 roku francuski fizyk zauważa, że po utworzeniu obwodu z dwóch rodzajów drutu (bizmut i miedź) oraz po podłączeniu ich do źródła energii elektrycznej, jedno złącze się ogrzewa a drugie ochładza T 2 B A I Strumień ciepła Peltiera Jean Charles Peltier B Q I T 1

65 Zjawisko Thomsona Jeżeli między końcami odcinka jednorodnego przewodnika, przez który płynie prąd, istnieje różnica temperatur T, to na odcinku tym jest wydzielane lub pochłaniane ciepło z szybkością proporcjonalnej do I dq dt γ IT Wiliam Thomson Przyjęto umownie, że g > 0, jeżeli przepływowi dodatniego prądu w kierunku spadku temperatury (T < 0 ) towarzyszy wydzielanie się ciepła (Q < 0).

66 Moduł Peltiera Zimna strona pochłanianie ciepła Elementy półprzewodnikowe p i n Płytki ceramiczne Miedziane łączniki Gorąca strona ciepło odprowadzane Słupki pod względem elektrycznym połączone są ze sobą szeregowo, a pod względem cieplnym równolegle

67 Zastosowanie modułów termoelektrycznych przechowywaniu i transporcie tkanek oraz preparatów biologicznych, komorach klimatycznych, chłodzeniu nagrzewających się elementów elektronicznych, w tym m.in. procesorów i kart graficznych komputerów, chłodzeniu generatorów wysokiej mocy, chłodzeniu diod laserowych, termostatach do akwarium i terrarium, przenośnych lodówkach, komorach do przechowywania win, innych procesach i urządzeniach wymagających precyzyjnej regulacji temperatury

68 Zastosowanie modułów termoelektrycznych w OŹE termoelektrogeneratory na energię słoneczną termoelektrogeneratory na energię geotermalną spalarnie śmieci odsalanie wody